DE4221876A1 - Einrichtung mit supraleitender spule - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft verschiedene Arten von Einrichtungen mit supraleitenden Spulen wie etwa eine Kernfusionseinrichtung, einen Beschleuniger oder eine su­ praleitende Energiespeichereinrichtung und insbesondere eine Schutzeinrichtung für diese Einrichtungen mit supra­ leitenden Spulen, die verwendet wird, wenn in einer als Last einer solchen Einrichtung dienenden supraleitenden Spule ein anomaler Zustand wie etwa ein Quenching-Phäno­ men auftritt.

In den Bereichen der Kernfusionseinrichtungen, der Be­ schleuniger und der supraleitenden Energiespeicherein­ richtungen hat die Verwendung von supraleitenden Spulen in der letzten Zeit stark zugenommen. Die supraleitende Spule ist so aufgebaut, daß sie normalerweise einen su­ praleitenden Zustand mit verschwindendem elektrischen Wi­ derstand beibehält, jedoch aufgrund einer plötzlichen Än­ derung des Magnetfeldes oder der Temperatur möglicherwei­ se vom supraleitenden Zustand in einen normal leitenden Zustand übergeht. Dieses Phänomen des Zusammenbruchs des supraleitenden Zustands wird als "Quenching" bezeichnet. Das Auftreten des Quenchings kann zu einer anomalen Ver­ dampfung von flüssigem Helium führen, welche ihrerseits einen Druckanstieg zur Folge hat.

Daher wird, wie in Fig. 4 gezeigt, eine supraleitende Spule 2 mit einem als Erregerstrom-Versorgungseinrichtung dienenden Gleichrichter/Wechselrichter 6 betrieben, wobei die Spule 2 zu einem Schutzwiderstand 3 parallel geschal­ tet ist. Wenn das Quenching auftritt, dient der Schutzwi­ derstand dazu, die in der supraleitenden Spule 2 gespei­ cherte Energie zu "verbrauchen", um so die Ausdehnung des Quenchings zu verhindern und dadurch die supraleitende Spule 2 zu schützen. Das heißt, daß bei einem Auftreten des Quenchings der Strom, der durch die durch den Gleichrichter/Wechselrichter 6 und die supraleitende Spule 2 gebildete Schaltung fließt, zum Schutzwiderstand 3 umgeleitet wird. Hierzu ist es notwendig, einen Gleich­ stromunterbrecher zum Abschalten großer Gleichströme vor­ zusehen.

Neuere supraleitende Spulen werden mit größeren Abmessun­ gen hergestellt. Daher erlauben solche supraleitenden Spulen einen größeren Stromfluß und einen ununterbroche­ nen Betrieb. Auf der anderen Seite entsteht in der supra­ leitenden Spule eine hohe Spannung, wenn das Quenching auftritt. Daher muß der Gleichstromunterbrecher 4, der zum Schutz der Spule vor dem Quenching verwendet wird, als Unterbrecher so beschaffen sein, daß er große Gleich­ ströme abschalten kann und für einen ununterbrochenen Be­ trieb geeignet ist.

Im allgemeinen ist jedoch ein Gleichstromunterbrecher vom Hochspannungstyp für kleine Ströme ausgelegt, während solche Gleichstromunterbrecher, die auch für größere Ströme verwendbar sind, vom Niederspannungstyp sind. Da­ her reicht ein einzelner Gleichstromunterbrecher für ei­ nen kontinuierlichen, hohen Strom nicht aus. In der Pra­ xis werden daher, wie in Fig. 5 gezeigt ist, mehrere Un­ terbrecher vom Hochspannungstyp 4A bis 4N parallel ge­ schaltet. Dieser Stand der Technik ist beispielsweise aus JP 57-1 98 613-A bekannt.

In der in Fig. 5 gezeigten herkömmlichen Einrichtung müs­ sen jedoch mehrere Unterbrecher vom Hochspannungstyp vor­ gesehen werden, so daß nachteiligerweise ein sehr teueres Schutzelement und ferner mehr Platz erforderlich sind. Außerdem ist es schwierig, die parallel geschalteten Gleichstromunterbrecher gleichzeitig abzuschalten. Wenn die Unterbrecher zu verschiedenen Zeiten abgeschaltet werden, können jedoch sowohl die Unterbrecher selbst als auch andere Schaltungskomponenten negativ beeinflußt wer­ den.

Um diese Nachteile zu überwinden, wurde in jüngster Zeit ein Gleichstromunterbrecher-System vorgeschlagen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. In diesem System ist eine Reihen­ schaltung mit einem Widerstand 10 kleinen Wertes und ei­ nem Schalter 11 zu einem Gleichstromunterbrecher 4 paral­ lel geschaltet. Wenn die supraleitende Spule 2 durch den Gleichrichter/Wechselrichter 6 erregt wird, ist der Gleichstromunterbrecher 4 geöffnet, während der Schalter 11 geschlossen ist. Wenn bei einem Auftreten des Quen­ chings der durch die supraleitende Spule 2 fließende Strom abgeschaltet werden muß, wird der Gleichstromunter­ brecher 4 geschlossen, so daß die Reihenschaltung mit dem Widerstand 10 und dem Schalter 11 in einer Schleife kurz­ geschlossen wird, damit möglichst der gesamte Strom der supraleitenden Spule 2 zum Gleichstromunterbrecher 4 ge­ rührt wird. Dann werden sowohl der Schalter 11 als auch der Gleichstromunterbrecher 4 geöffnet. Dadurch wird der Zusammenbruch des hohen Gleichstroms ermöglicht. Dieser Stand der Technik ist aus JP 3-40 409-A bekannt.

In der JP 58-95 803-A ist eine Reihenschaltung, die einen Schalter und einen Kondensator aufweist, zu einer supra­ leitenden Spule 2 und zu einem Schutzwiderstand parallel geschaltet. Die Funktion dieses Schalters muß jedoch ge­ sondert aktiviert werden, wenn das Quenching auftritt, derart, daß der Kondensator zum Schutzwiderstand parallel geschaltet werden kann. Unter Ausnutzung der Induktivität des Schutzwiderstandes kann vom Kondensator eine mögli­ cherweise auftretende zusätzliche Spannung ("Serge"-Span­ nung) aufgenommen werden. Dieser herkömmliche Aufbau ist jedoch nicht so beschaffen, daß die Erregerstrom-Versor­ gungseinrichtung kurzgeschlossen wird, um den Strom der supraleitenden Spule an die den Schalter und den Konden­ sator umfassende Reihenschaltung abzuleiten und den Strom durch die supraleitende Spule abzuschalten.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung mit supraleitender Spule zu schaffen, die un­ unterbrochen mit hohen Gleichströmen betrieben werden kann und die bei Auftreten eines anomalen Zustandes wie etwa eines Quenchings hohe Gleichströme abschaltet und den Strom zu einem Schutzwiderstand ableitet.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung mit supraleitender Spule zu schaffen, die eine Schutzeinrichtung umfaßt, um den Jouleschen Wär­ meverlust zu unterdrücken, wenn die Einrichtung mit su­ praleitender Spule ununterbrochen betrieben wird.

In dem in Fig. 6 gezeigten Gleichstromunterbrecher-System bewirkt der Schalter 11 einen ununterbrochenen Stromfluß, während der Gleichstromunterbrecher 4 die Funktion be­ sitzt, den Strom abzuschalten, wenn ein anomaler Zustand wie etwa das Quenching auftritt. Daher kann ein einzelner Gleichstromunterbrecher vom Hochspannungstyp die supra­ leitende Spule vor dem Quenching schützen. Der Widerstand 10 kleinen Wertes und der Schalter 11 müssen jedoch in Reihe geschaltet sein, da das Schließen des Gleichstrom­ unterbrechers 4 zur Folge haben soll, daß der Strom der supraleitenden Spule 2 vom Schalter 11 zum Gleichstromun­ terbrecher 4 umgeleitet wird. Diese Reihenschaltung er­ zeugt normalerweise einen Jouleschen Wärmeverlust, wo­ durch die Effizienz entsprechend erniedrigt wird.

Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung mit einer von einer Erregerstrom- Versorgungseinrichtung über einen ersten Schalter ver­ sorgten supraleitenden Spule, einem Schutzwiderstand, der zur supraleitenden Spule parallel geschaltet ist und die in der supraleitenden Spule gespeicherte Energie "verbraucht", wenn in der supraleitenden Spule ein anoma­ ler Zustand wie etwa das Quenching auftritt, einem Gleichstromunterbrecher, der zum Schutzwiderstand paral­ lel geschaltet ist, und einer Steuereinheit, die den Gleichstromunterbrecher im normalen Zustand offenhält und diesen bei Auftreten eines anomalen Zustandes wie etwa des Quenchings zunächst schließt, um den von der Erreger­ strom-Versorgungseinrichung gelieferten und durch die supraleitende Spule fließenden Strom zum Gleichstromun­ terbrecher umzuleiten, und die anschließend den ersten Schalter und dann den Gleichstromunterbrecher öffnet.

In der obenbeschriebenen, erfindungsgemäßen Einrichtung mit supraleitender Spule wird der Gleichstromunterbrecher im normalen Zustand geöffnet gehalten. Daher ist in die­ sem Fall ein ununterbrochener Stromfluß durch den ersten Schalter möglich. Ein Abfall der Spannung in Vorwärtsrichtung tritt während der Leitung in der Erregerstrom- Versorgungseinrichtung oder in einem den Gleichrich­ ter/Wechselrichter enthaltenden Halbleiterbauelement auf. Wenn ein anomaler Zustand wie etwa das Quenching auf­ tritt, kann daher durch das Schließen des Gleichstromun­ terbrechers der von der Erregerstrom-Versorgungseinrichtung durch die supraleitende Spule fließende Strom zum Gleichstromunterbrecher umgeleitet werden. Dann wird nach Öffnen des ersten Schalters der Gleichstromunterbrecher geöffnet, was bewirkt, daß der durch die supraleitende Spule fließende Strom abgeschaltet und zum Schutzwider­ stand geleitet wird. Erfindungsgemäß hat der erste Schalter die Funktion eines ununterbrochenen Stromflusses, während der Gleichstromunterbrecher die Funktion des Ab­ schaltens des Stroms durch die supraleitende Spule bei Auftreten eines anomalen Zustandes wie etwa des Quen­ chings besitzt. Daher kann der Gleichstromunterbrecher für einen Kurzzeitbetrieb ausgelegt sein. Dieser Unter­ brechertyp kann den hohen Gleichstrom abschalten und den durch die supraleitende Spule fließenden Strom zum Schutzwiderstand ableiten, um die supraleitende Spule selbst zu schützen. Der Spannungsabfall der Erregerstrom- Versorgungseinrichtung wird dazu verwendet, den Gleich­ stromunterbrecher zu schließen und den Strom von der su­ praleitenden Spule zum Gleichstromunterbrecher abzulei­ ten. Anders als im Stand der Technik ist daher kein Wi­ derstand kleinen Wertes erforderlich. Das hat die Besei­ tigung des Jouleschen Wärmeverlusts zur Folge, der im Wi­ derstand kleinen Wertes ununterbrochen auftritt, was wie­ derum zur Verbesserung der Effizienz der Gesamteinrich­ tung beiträgt.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen, die sich auf besondere Aus­ führungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, ange­ geben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus­ führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild, das die erfindungsgemäße Einrich­ tung mit supraleitender Spule gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;

Fig. 2 ein Schaltbild, das die erfindungsgemäße Einrich­ tung mit supraleitender Spule gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;

Fig. 3 ein Schaltbild, das die erfindungsgemäße Einrich­ tung mit supraleitender Spule gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;

Fig. 4 ein Schaltbild, das eine herkömmliche Einrichtung mit supraleitender Spule zeigt;

Fig. 5 ein Schaltbild, das eine weitere herkömmliche Einrichtung mit supraleitender Spule zeigt; und

Fig. 6 ein Schaltbild, das eine weitere herkömmliche Einrichtung mit supraleitender Spule zeigt.

Fig. 1 ist ein Schaltbild, das die erfindungsgemäße Ein­ richtung mit supraleitender Spule gemäß einer ersten Aus­ führungsform zeigt. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine supraleitende Spule, die mit einem Detektor 1 versehen ist. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Schutzwider­ stand. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Gleichstrom­ unterbrecher. Die supraleitende Spule 1, der Widerstand 3 und der Gleichstromunterbrecher 4 sind parallel geschal­ tet. Diese Parallelschaltung ist wiederum zu einer Rei­ henschaltung, die einen ersten Schalter 5 und einen Gleichrichter/Wechselrichter 6 aufweist, parallel ge­ schaltet. Ferner ist zur Steuerung dieser Komponenten ei­ ne Steuereinheit 7 vorgesehen. Der Gleichstromunterbre­ cher 4 kann entweder ein einzelner Gleichstromunterbre­ cher oder eine Parallelschaltung sein, die einen Umpo­ lungsschaltkreis (mit einem Kondensator, einer Drossel­ spule und einem Startschalter) und einen Gleichstromun­ terbrecher umfaßt. Der Gleichrichter/Wechselrichter 6 um­ faßt ein Halbleiterbauelement und ist zwischen ein Wech­ selstrom-Energiesystem und die supraleitende Spule 2 ge­ schaltet, derart, daß er zur Energieversorgung der supra­ leitenden Spule 2 und zum Einspeisen der Energie der su­ praleitenden Spule 2 in das Wechselstrom-Energiesystem dient.

In der Einrichtung mit supraleitender Spule mit dem oben­ beschriebenen Aufbau ist bei normalem Betrieb der erste Schalter 5 geschlossen, während der Gleichstromunterbre­ cher 4 geöffnet ist. Die supraleitende Spule 2 speichert die Energie in magnetischer Form, während der Gleich­ richter/Wechselrichter 6 dazu dient, die supraleitende Spule 2 mit Energie zu versorgen und die Energie von der supraleitenden Spule 2 in das Wechselstrom-Energiesystem einzuspeisen.

Nun wird angenommen, daß in der supraleitenden Spule 2 das Quenching-Phänomen auftritt. Der Detektor 1 erfaßt das Quenching und schickt ein Detektorsignal an die Steu­ ereinheit 7. Aufgrund dieses Detektorsignals schickt die Steuereinheit 7 an jede der erwähnten Komponenten einen Sperrbefehl, um die Spule 2 vor dem Quenching zu schüt­ zen. Aufgrund dieses Befehls wird der Gleichrich­ ter/Wechselrichter 6 in einen Nebenschlußpaar-Betriebszu­ stand, in dem er selbst kurzgeschlossen ist, versetzt. Auch in diesem Nebenschlußpaar-Betriebszustand tritt so­ wohl in dem den Gleichrichter/Wechselrichter 6 enthal­ tenden Halbleiterbauelement als auch in der Verdrahtung auf der Platine ein Abfall der Vorwärtsspannung auf. Das bedeutet, daß zwischen den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters/Wechselrichters 6 eine Spannung von eini­ gen Volt erzeugt wird. Dann wird durch das Schließen des Gleichstromunterbrechers 4 und daher das Kurzschließen des Gleichrichters/Wechselrichters 6 der durch die supra­ leitende Spule 2 fließende Strom, der auch durch den Gleichrichter/Wechselrichter 6 fließt, zum Gleichstromun­ terbrecher 4 umgeleitet. Anschließend werden der erste Schalter 5 und der Gleichstromunterbrecher 4 geöffnet, so daß der durch die supraleitende Spule 2 fließende Strom abgeschaltet werden kann, zum Schutzwiderstand 3 umgelei­ tet wird und als Joulesche Wärme "verbraucht" wird, so daß eine Ausdehnung des Quenchings verhindert werden kann.

Gemäß dieser Ausführungsform kann der Gleichstromunter­ brecher 4, der bei Auftreten des Quenchings den durch die supraleitende Spule 2 fließenden Strom abschaltet, für einen Kurzzeitbetrieb ausgelegt sein. Daher kann dieser Gleichstromunterbrecher 4 einen hohen Gleichstrom ab­ schalten. Ferner braucht aufgrund der Tatsache, daß der Spannungsabfall des Gleichrichters/Wechselrichters 6 aus­ genutzt wird, in der vorliegenden Ausführungsform im Ge­ gensatz zu einer herkömmlichen Einrichtung, wie sie etwa in Fig. 6 gezeigt ist, kein Widerstand kleinen Wertes vorgesehen werden. Das heißt, daß der Wärmeverlust in diesem Widerstand kleinen Wertes, der andernfalls ständig erzeugt würde, nicht auftritt. Dies bedeutet eine Verbes­ serung der Effizienz der Gesamteinrichtung. Wenn der Strom der supraleitenden Spule 2 mehrere 10 kA beträgt, ist in der vorliegenden Ausführungsform nur ein einziger Gleichstromunterbrecher erforderlich. Daher kann beispielsweise der Nachteil vermieden werden, daß beim Ab­ schalten ein Fehler auftritt, etwa wenn mehrere Gleich­ stromunterbrecher gemäß dem Stand der Technik, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, den Strom zu verschiedenen Zeitpunk­ ten abschalten.

In Fig. 2 ist ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ein­ richtung mit supraleitender Spule 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. In dieser Ausführungsform ist gegenüber der ersten Ausführungsform zusätzlich ein Gleichstromdetektor 8 zu dem Gleichstromunterbrecher 4 in Reihe geschaltet. Der Gleichstromdetektor 8 dient haupt­ sächlich dazu, den Strom der supraleitenden Spule 2, der vom Gleichrichter/Wechselrichter 6 zum Gleichstromunter­ brecher 4 umgeleitet wird, zu messen, nachdem der Gleich­ stromunterbrecher 4 geschlossen worden ist, außerdem schickt er das Detektorsignal zur Steuereinheit 7. Wenn der gemessene Wert eine vorbestimmte Größe erreicht, gibt die Steuereinheit 7 an den ersten Schalter 5 einen Befehl zum Öffnen aus. Daher muß der erste Schalter 5 keinen hö­ heren als den tatsächlich erforderlichen Rest-Gleichstrom unterbrechen. Dies trägt zu einer Verringerung des Ver­ schleißes der Elektroden des Schalters 5 bei.

In Fig. 3 ist ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Ein­ richtung mit supraleitender Spule gemäß einer dritten Ausführungsform gezeigt. Zusätzlich zu der in Fig. 1 ge­ zeigten Einrichtung ist ein zweiter Schalter 9 vorgese­ hen, der mit dem Schutzwiderstand 3 in Reihe geschaltet ist. Dieser zweite Schalter 9 ist im Normalbetrieb geöff­ net. Wenn das Quenching auftritt, wird der zweite Schal­ ter 9 jedoch sofort geschlossen, bevor der Gleichstromun­ terbrecher 4 aufgrund des Schließbefehls von der Steuer­ einheit 7 geschlossen wird. Dies hat eine Verringerung des Wärmeverlusts zur Folge, der im Schutzwiderstand 3 durch den Strom vom Gleichrichter/Wechselrichter 6 ver­ ursacht wird, was die Effizienz der Gesamteinrichtung verbessert.

Außerdem kann die vorliegende Erfindung mit der aus der JP 3-40 409-A bekannten Technik kombiniert werden (siehe die Einrichtung von Fig. 6).

Claims (4)

1. Einrichtung mit supraleitender Spule, mit
einer supraleitenden Spule (2), die von einer Er­ regerstrom-Versorgungseinrichtung (6) über einen ersten Schalter (5) mit Gleichstrom versorgt wird; und
einem Schutzwiderstand (3), der zu der supralei­ tenden Spule (2) parallel geschaltet ist und im Fall des Auftretens eines anomalen Zustandes in der supraleitenden Spule (2) dazu dient, die in dieser Spule (2) gespei­ cherte Energie zu verbrauchen, gekennzeichnet durch
einen Gleichstromunterbrecher (4), der zum Schutzwiderstand (3) parallel geschaltet ist; und
eine Steuereinheit (7), die den Gleichstromunter­ brecher (4) in einem normalen Zustand geöffnet hält und in einem anomalen Zustand schließt, um den durch die su­ praleitende Spule (2) fließenden Strom zum Gleichstromun­ terbrecher (4) umzuleiten, und die anschließend den er­ sten Schalter (5) und dann den Gleichstromunterbrecher (4) öffnet.

2. Einrichtung mit supraleitender Spule gemäß An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichstromde­ tektor (8) vorgesehen ist, der die Größe des Stroms der supraleitenden Spule (2), der bei Auftreten eines anomalen Zustandes zum Gleichstromunterbrecher (4) umgeleitet wird, mißt, und die Steuereinheit (7) einen Befehl zum Öffnen des ersten Schalters (5) ausgibt, wenn der vom Gleichstromdetektor (8) erfaßte Stromwert einen vorgegebenen Wert erreicht oder übersteigt.

3. Einrichtung mit supraleitender Spule gemäß An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schal­ ter (9) vorgesehen ist, der mit dem Schutzwiderstand (3) in Reihe geschaltet ist, und die Steuereinheit (7) den zweiten Schalter (11) in einem normalen Zustand geöffnet hält und bei Auftreten eines anomalen Zustandes an den zweiten Schalter (9) einen Befehl zum Schließen desselben vor dem Öffnen des Gleichstromunterbrechers (4) ausgibt.

4. Einrichtung mit supraleitender Spule, mit
einer supraleitenden Spule (2);
einem Schutzwiderstand (3), der zu der supralei­ tenden Spule (2) parallel geschaltet ist und bei Auftre­ ten eines Quenching-Phänomens in der supraleitenden Spule (2) die in dieser Spule (2) gespeicherte Energie ver­ braucht, gekennzeichnet durch
einen Gleichstromunterbrecher (4), der zur supra­ leitenden Spule (2) und zum Schutzwiderstand (3) parallel geschaltet ist;
einen Schalter (5), der den Stromfluß an die su­ praleitende Spule (2) ermöglicht oder unterbricht;
eine Erregerstrom-Versorgungseinrichtung (6), die über den Schalter (5) mit der supraleitenden Spule (2) verbunden ist und an die supraleitende Spule (2) Strom liefert, um diese zu erregen; und
eine Steuereinheit (7), die im Normalzustand den Gleichstromunterbrecher (4) geöffnet und den Schalter (5) geschlossen hält und die bei Auftreten eines Quenching- Phänomens den Gleichstromunterbrecher (4) schließt, den Strom von der Erregerstrom-Versorgungseinrichtung (6) an den Gleichstromunterbrecher (4) umleitet, anschließend den Schalter (5) öffnet und dann den Gleichstromunterbre­ cher (4) ebenfalls öffnet.